陸態(tài)網(wǎng)GPS精密定軌方法與精度分析

劉光明，唐穎哲，秦顯平，曾安敏

（西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054）

陸態(tài)網(wǎng)西安數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)是中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的重要組成部分，于2011－03－30開(kāi)始試運(yùn)行。根據(jù)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程的任務(wù)要求，子系統(tǒng)從國(guó)家數(shù)據(jù)中心匯集觀測(cè)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)快速共享、備份，對(duì)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行綜合分析，及時(shí)生產(chǎn)出測(cè)繪科研和生產(chǎn)需要的測(cè)繪產(chǎn)品。子系統(tǒng)處理的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)數(shù)據(jù)將為科學(xué)研究與測(cè)繪保障做出重要貢獻(xiàn)。

陸態(tài)網(wǎng)GPS定軌任務(wù)分獨(dú)立定軌和聯(lián)網(wǎng)定軌兩種。獨(dú)立定軌是指僅用陸態(tài)網(wǎng)布設(shè)的基準(zhǔn)站觀測(cè)資料定軌，位于中國(guó)大陸上空的衛(wèi)星星歷精度較高，但從全球范圍來(lái)說(shuō)星歷精度較低。而與IGS聯(lián)網(wǎng)定軌則使用了全球范圍的基準(zhǔn)站觀測(cè)資料，因此，得到的星歷精度更高且更均勻。

根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)的《中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)》中的技術(shù)指標(biāo)：產(chǎn)出每天的精密星歷，與IGS聯(lián)網(wǎng)精度優(yōu)于0.05m。本次數(shù)據(jù)處理將利用陸態(tài)網(wǎng)項(xiàng)目研制的PODAP精密定位定軌數(shù)據(jù)處理軟件，處理從2011－04－10到2011－4－19連 續(xù) 運(yùn) 行10d的 全 球120個(gè)IGS核心站觀測(cè)數(shù)據(jù)。采用30s數(shù)據(jù)采樣，逐日解算精密星歷，驗(yàn)證所得到的精密星歷精度是否達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。

通過(guò)本次數(shù)據(jù)處理與分析，可以精確得到GPS精密星歷，同時(shí)也為今后的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定軌工作積累經(jīng)驗(yàn)。

1 精密定軌方法

精密定軌數(shù)據(jù)處理基于慣性系，采用非差處理模式，數(shù)據(jù)預(yù)處理采取與Blewitt（1990）一致的單站數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，盡可能探測(cè)與修復(fù)周跳并剔除異常值。對(duì)未修復(fù)的周跳引入新的模糊度參數(shù)，對(duì)未探測(cè)的周跳與粗差觀測(cè)值，在估計(jì)模塊的質(zhì)量控制中進(jìn)行處理。衛(wèi)星軌道通過(guò)其初始時(shí)刻的參考狀態(tài)和力學(xué)模型參數(shù)描述。軌道積分器采用Runge－Kutta起步，Adams－Moulton多步法預(yù)報(bào)校正。固體潮汐力、海洋潮汐力、太陽(yáng)、月亮等第三體行星引力以及相對(duì)論效應(yīng)引起的軌道攝動(dòng)力模型參照IERS規(guī)范。重力場(chǎng)模型可選用EGM96或EIGEN等通用重力場(chǎng)模型。GPS衛(wèi)星可選擇ROCK、JPL、BERN等太陽(yáng)光壓模型。觀測(cè)模型與IERS 2003標(biāo)準(zhǔn)一致，考慮盡可能多的改正項(xiàng)，包括所有被各IGS數(shù)據(jù)分析中心運(yùn)行軟件所采用的改正模型。未能精確模型化的誤差因素，通過(guò)參數(shù)估計(jì)吸收。同時(shí)為了靈活應(yīng)用于實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)定位，采用逐個(gè)歷元地建立觀測(cè)方程的方法。參數(shù)估計(jì)模塊采用最小二乘估計(jì)器，最小二乘估計(jì)器主要應(yīng)用于事后處理，這有利于節(jié)省計(jì)算時(shí)間和基于觀測(cè)值殘差的數(shù)據(jù)再編輯。

衛(wèi)星精密定軌輸入數(shù)據(jù)包括廣播星歷、GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。廣播星歷提供衛(wèi)星鐘差和軌道的初值，再利用觀測(cè)數(shù)據(jù)建立方程，解算衛(wèi)星軌道的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)。將動(dòng)力學(xué)參數(shù)積分得到最終的精密軌道。

根據(jù)上述精密定軌數(shù)據(jù)處理的方法，陸態(tài)網(wǎng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了精密定位定軌數(shù)據(jù)處理軟件PODAP。

2 計(jì)算步驟

利用PODAP軟件精密定軌的數(shù)據(jù)處理步驟如下：

1）衛(wèi)星精密定軌的參數(shù)設(shè)置。默認(rèn)參數(shù)將衛(wèi)星軌道放開(kāi)，衛(wèi)星鐘差放開(kāi)，將一個(gè)接收機(jī)鐘作為參考鐘，其余測(cè)站的鐘差為待估參數(shù)。

2）從廣播星歷提取衛(wèi)星鐘差，生成衛(wèi)星鐘差的初值。

3）廣播星歷格式轉(zhuǎn)換，生成衛(wèi)星軌道的初值。

4）軌道由地固系轉(zhuǎn)為慣性系，生成慣性系軌道文件和動(dòng)力學(xué)軌道參數(shù)文件。動(dòng)力學(xué)軌道參數(shù)文件提供了每顆衛(wèi)星的初始三維坐標(biāo)、三維速度以及太陽(yáng)光壓參數(shù)。

5）軌道積分是用4）生成的動(dòng)力學(xué)軌道參數(shù)文件提供的信息，經(jīng)積分而得到慣性系軌道文件。這一步生成的慣性系軌道文件與地固系轉(zhuǎn)化的慣性系軌道文件相比，加入了偏導(dǎo)數(shù)信息。

6）由軌道積分生成的慣性系軌道文件和從廣播星歷提取的sp3文件。生成更為準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)軌道參數(shù)文件和軌道的擬合殘差文件。

7）重復(fù)軌道積分、軌道擬合操作，以便于得到較為準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)軌道參數(shù)。然后再進(jìn)行軌道積分操作。

8）參數(shù)估計(jì)，生成法方程文件、參數(shù)文件、殘差文件以及動(dòng)力學(xué)軌道文件。

9）殘差編輯。

10）參數(shù)估計(jì)，更新動(dòng)力學(xué)軌道參數(shù)文件。

11）對(duì)更新后的動(dòng)力學(xué)軌道參數(shù)文件進(jìn)行積分，生成新的慣性系軌道。

12）提取衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差，并進(jìn)行殘差編輯。

13）重復(fù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)（更新參數(shù)）、軌道積分、殘差編輯、提取衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差。

14）這一步參數(shù)估計(jì)是為了固定模糊度，可不進(jìn)行參數(shù)更新。

15）固定模糊度。

16）這一步的參數(shù)估計(jì)需要固定模糊度、參數(shù)更新。

17）利用不斷更新得到的動(dòng)力學(xué)軌道參數(shù)文件，積分得到本次定軌最終的慣性系軌道。

18）將慣性系軌道轉(zhuǎn)化到地固系軌道，生成精密軌道。

19）從殘差文件中提取衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層參數(shù)。

20）為了驗(yàn)證定軌的精度，將生成的精密軌道與IGS公布的該天的精密軌道進(jìn)行比較。并生成軌道比較文件。

精密定軌誤差改正模型見(jiàn)表1［1］。

表1 誤差模型

續(xù)表1 誤差模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

本次定軌分別用120個(gè)IGS核心站（見(jiàn)表2）和77個(gè)IGS核心站進(jìn)行比較計(jì)算。定軌采用從2011－04－10到2011－04－19連續(xù)運(yùn)行10d的全球IGS核心站數(shù)據(jù)。這些站是在全球200多個(gè)IGS核心站中按照幾何分布和數(shù)據(jù)質(zhì)量挑選出來(lái)的［2］。星歷的參考框架由IGS核心站的參考框架決定［3］。

表2 參與定軌的120個(gè)IGS核心站

定軌結(jié)果與IGS精密星歷差值的rms（mm）如表3所示。

表3 定軌結(jié)果與IGS精密星歷差值的rms

定軌結(jié)果與IGS精密星歷差值的rms如圖1所示。

圖1 定軌結(jié)果與IGS精密星歷差值的rms

可以看出用120個(gè)IGS核心站定軌的精度要好于用77個(gè)IGS核心站定軌［4］。而定軌精度逐日提高的原因是因?yàn)镚01號(hào)衛(wèi)星是新發(fā)射的衛(wèi)星，其狀態(tài)不夠穩(wěn)定，定軌誤差較大，進(jìn)而影響到了定軌結(jié)果與IGS精密星歷差值的rms。下面分別給出2011－107的G03、G05、G06號(hào)衛(wèi)星與IGS精密星歷的差值見(jiàn)圖2～4。

圖2 G03星與IGS精密星歷的差值

圖3 G05星與IGS精密星歷的差值

圖4 G06星與IGS精密星歷的差值

顯然，計(jì)算結(jié)果符合國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)的《中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)》中的技術(shù)指標(biāo)：產(chǎn)出每天的精密星歷，與IGS聯(lián)網(wǎng)精度優(yōu)于0.05m。

4 結(jié)束語(yǔ)

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要由260個(gè)GNSS基準(zhǔn)站和2000個(gè)區(qū)域站構(gòu)成，組成了一個(gè)有相當(dāng)密度、分布合理、覆蓋全國(guó)的四維觀測(cè)系統(tǒng)，每天都會(huì)產(chǎn)生海量的、實(shí)時(shí)的、多采樣率的觀測(cè)數(shù)據(jù)。應(yīng)用這些GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，西安數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)可以提供的主要產(chǎn)品有以下9種［5］：

1）臺(tái)站坐標(biāo)和速度場(chǎng)，用于建立動(dòng)態(tài)參考框架；

2）滿足各類用戶需要的GPS衛(wèi)星的精密星歷；

3）GPS衛(wèi)星鐘鐘差改正信息，用于地面用戶定時(shí)和時(shí)間比對(duì)；

4）地球定向參數(shù)；

5）板塊運(yùn)動(dòng)；

6）電離層模型；

7）對(duì)流層天頂延遲變化；

8）高程異常格網(wǎng)，用于GPS水準(zhǔn)測(cè)量；

9）虛擬參考站網(wǎng)絡(luò)改正信息，用于高精度快速定位。

這些產(chǎn)品的應(yīng)用很大程度上提高了我國(guó)的測(cè)繪保障能力和近地空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力。在一般情況下，精密星歷、鐘差改正信息、地球定向參數(shù)等產(chǎn)品可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在IGS的數(shù)據(jù)分析中心下載。但是在國(guó)際局勢(shì)緊張時(shí)，這些產(chǎn)品可能無(wú)法下載。因此，必須能夠自己獨(dú)立計(jì)算這些產(chǎn)品，進(jìn)而還要做到在不依賴任何國(guó)外數(shù)據(jù)的情況下計(jì)算這些產(chǎn)品。這方面研究工作的意義重大。

［1］常志巧.利用非差觀測(cè)量確定GPS衛(wèi)星軌道的方法研究［D］.鄭州：信息工程大學(xué)，2006.

［2］秘金鐘.IGS跟蹤站與國(guó)內(nèi)跟蹤站聯(lián)合處理的框架點(diǎn)選擇研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2007，32（8）：704－706.

［3］余方達(dá)，郝國(guó)芳.ITRF框架基準(zhǔn)在高精度GPS測(cè)量中的統(tǒng)一［J］.孝感學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22（6）：83－85.

［4］李鵬，沈正康，王敏.IGS精密星歷的誤差分析［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2006，26（3）：40－45.

［5］唐穎哲，姬劍鋒，劉光明.陸態(tài)網(wǎng)應(yīng)用于軍事大地快速測(cè)量的探討［J］.軍事測(cè)繪，2012（1）：29－31.